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解决可穿戴设备续航问题,妙招知多少 [复制链接]

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发表于 2015-9-29 10:07:40 |显示全部楼层
 可穿戴设备现在已经成为了一种非常热门的科技产品,但是对于这类产品的续航问题,也成为了许多科学家及厂商们要解决的难题。

  1.摩擦静电转化成可用能源

  最近,来自新加坡国立大学的一个科研小组开发出了一种柔性小体积的装置,可以将摩擦产生的静电转化成可用的能源。这个设备一段接触到皮肤表面,而另一端则在下面覆盖了一层金硅薄膜。同时这种装置的两端则分别有柱状的硅橡胶,这种支柱设计可以带来更大的电量输出,同时允许更大的面积与皮肤接触。

  这个研究小组在2015年的IEEE MEMS会议上展出了自己的研究成果,并且证明产生的电能可以为一些设备来进行供电。通过将这个装置附着到测试者的手臂和喉咙处,通过握紧拳头和说话分别可以产生7.3v和7.5v的电压。如果不断磨擦手纸,最高可以产生90v的电压,可以直接用来点亮LED光源。这个团队计划未来开发出体积更大的电池,这样就可以更加充分的利用人体皮肤摩擦带来的电能。

  其实除了这种摩擦供电的电池之外,其实之前世界上还出现了许多其它形式的研究。比如一种新型纹身可以将人类的汗水转化成电力、或者通过特殊的耳机将我们的下巴变成“发电机”。看来,解决未来可穿戴设备的供电问题,似乎还有许多另类的途径。

  2.新型纹身:汗水转化成电力

  8月16日,美国加州大学圣迭戈分校研究人员约瑟夫·王(Joseph Wang)发明一种临时智能纹身,可通过汗液发电,将来有一天为手机和其他可穿戴设备提供电力。

 
 这种纹身会粘附在你的皮肤上,检测汗液中化学乳酸水平,然后利用这种乳酸制造微型燃料电池。当我们锻炼至精疲力竭之时,肌肉通常会有灼烧感觉,这与乳酸积累有关。对于肌肉来说,乳酸是一种废物,是新陈代谢的一个终点。

  运动生理学家已经可以检测人体肌肉或血液中所含乳酸水平。当乳酸从汗液中释放出来后,新的传感技术诞生了。王发明的智能纹身中有一个传感器,可吸引乳酸中的电子,乳酸可以产生电流。王估计,每平方厘米皮肤可产生70微瓦电量。研究人员向乳酸传感器中增加电池,以捕捉和储存电流,从而形成所谓的生物燃料电池。

  无论你其行车或是走路,你出汗越多,体内产生的乳酸就越多,这意味着电池中可以储存的电量就越多。现在,这种智能纹身只能产生很少的电量,但研究人员希望这种生物燃料电池将来有一天可产生足够电量,为智能手表、心率监控器或智能手机供电。

  摩托罗拉也曾创造一种临时纹身,可以由于为手机解锁。也许你下一个手机必备配件,可能只需要身体上的一小块墨迹了。

  3.太阳能电池

  太阳能电池不是只有发电场、路灯这些大型应用,我们将看到微型版本的太阳能电池为可穿戴设备提供足够的能量。不需要电池的太阳能手表已经存在很多年了,Energy BioNIcs最近开发的一款太阳能手表不仅可以满足自身需求,还可以为其它设备供电。

  把太阳能电池应用于可穿戴设备上的一大问题是,设备需要光照才能发电,一旦光线被遮住,比如在袖子下面,就没法产生能量了。不过从另一个角度看,这也让太阳能电池成为智能服装的一个好选择,柔性电池甚至可以直接缝进织物中去。

  传统的太阳能电池设计针对的是太阳光,因为太阳光的强度要远高于室内常见光源。为解决这一问题,一些新材料正在开发出来,能够在室内发电,效率也大大提高。

  4.热电收集

  热电收集是把热能转换为电能,使用的物理原理叫塞贝克效应。珀耳帖元件加上一对特定的半导体,只要出现温差就会产生电流。

  对可穿戴设备来说,不断散发热量的人体可以作为热的一端,环境则成为冷的一端。产生能量的多少取决于高低温度之间的Δ值。珀耳帖元件可以收集很多能量,因而对紧贴皮肤,能量需求又高的设备来说很有潜力。热电回收的一大优势是能量源源不断,不管是室内还是室外,白天还是黑夜都能利用。

  5.压电收集

  压电收集把机械能转换为电能。在压电元件中,由于压电效应,只要元件受到机械力操纵就会产生微小的电流。在可穿戴设备上的应用,压电元件的设计通常是靠行走、呼吸或手的运动所带来的振动进行发电。

  压电收集所产生的能量相对较少,这使它的应用主要限制在耗电较少的设备以及总是处于运动状态的身体部位。科学家正在研发的聚合物压电纤维具有柔韧透气的特点,可以置入织物当中,也有很广泛的应用场景。

 
 6.优化可穿戴设备的电量存储和消耗

  想要让可穿戴设备彻底不用充电,能量收集只是一方面。能量存储是另一个有很大提升空间的方面。这方面超级电容器和石墨烯潜力巨大。神奇材料石墨烯可以大幅改善电池和电容的效率,从而提高可穿戴设备的整体性能。而结构电容器可以把可穿戴组件变成能量存储器,从而不需要额外空间来安放电池。

  另一个让可穿戴设备提高续航甚至完全不用充电的方法是大幅减少传感器、芯片和通信系统的能量消耗。智能手机的成功推动了低能耗高性能芯片的发展。可穿戴设备的处理器所需要计算能力和能量还更少。为应对这一问题,包括Intel在内的芯片大厂正通过把处理器、内存和通信模块整合到单一芯片中去,从而减少常见的一些能量损失。

  选择最高效的连网技术对减少能量消耗也有很大帮助。展望未来,越来越多的传感器和设备佩戴在身体的不同部分,使得名为“身体区网络”的高效通信方式在节省能量方面潜力巨大。诸如EnOcean等公司开发了优化过的协议,使用相对IPv6更短的数据电报,从而让同等量级的信息传输所消耗的能量显著降低。

  所有这些不同方面的改进都在推动可穿戴设备步入一个不用充电的时代,同时大幅提高性能表现。加上无线充电等技术,消费者可能很快就会看到可穿戴设备用户体验的大幅提升,而这也会进一步把可穿戴推向更广泛的市场。

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发表于 2015-10-15 14:43:23 |显示全部楼层
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